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title: VFS 进阶
url: https://doc.liz6.com/linux-kernel/03-file-system/04-vfs-advanced
locale: zh
area: linux-kernel
tags:
- linux-kernel
- 文件系统
date: 2026-06-30
modified: 2026-07-11
description: '覆盖: page cache 与 VFS 交互 → inode 状态机 → file locking (POSIX/OFD) → fsync/fdatasync 保证 → sendfile/splice/vmsplice 零拷贝 内核版本: 2.6 ~ 6.x'
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# VFS 进阶
> 覆盖: page cache 与 VFS 交互 → inode 状态机 → file locking (POSIX/OFD) → fsync/fdatasync 保证 → sendfile/splice/vmsplice 零拷贝
> 内核版本: 2.6 ~ 6.x
## Page Cache 与 VFS 交互
### inode 与 address_space 的关系
```c
// inode->i_mapping 指向该文件的 page cache
// 这是一个 address_space 结构，管理该文件在内存中的所有缓存页面
// 大多数 inode->i_mapping 指向内嵌的 inode->i_data:
struct inode {
struct address_space *i_mapping; // 通常 = &inode->i_data
struct address_space i_data; // 内嵌 (block device 文件系统)
};
// 对于块设备的裸读写:
struct block_device {
struct inode bd_inode; // 块设备也当 inode 管
// bd_inode.i_mapping 是块设备自己的 page cache
// 与文件系统通过 buffer_head 交互
};
```
### inode 状态机
```c
// include/linux/fs.h
#define I_NEW 0 // inode 刚分配, 还未从磁盘读
#define I_DIRTY_SYNC 1 // 元数据 dirty, 需要同步 (如 i_size)
#define I_DIRTY_DATASYNC 2 // 数据 dirty (仅 fdatasync 关心)
#define I_DIRTY_PAGES 3 // i_mapping 中有 dirty 页面
#define I_WILL_FREE 4 // 即将释放
#define I_FREEING 5 // 正在释放中
// inode 生命周期:
// alloc_inode() → I_NEW
// insert_inode_locked() → 加入 inode hash
// unlock_new_inode() → 清 I_NEW, 唤醒等待者
// ... 活跃期 ...
// iput() → i_count == 0 → evict() → I_FREEING → destroy_inode()
```
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## File Locking
### POSIX Lock (fcntl)
```c
// POSIX advisory/强制锁
struct flock {
short l_type; // F_RDLCK / F_WRLCK / F_UNLCK
short l_whence; // SEEK_SET/SEEK_CUR/SEEK_END
off_t l_start;
off_t l_len;
pid_t l_pid; // 持有锁的进程 PID (GETLK 时填充)
};
fcntl(fd, F_SETLK, &lock); // 非阻塞
fcntl(fd, F_SETLKW, &lock); // 阻塞等待
fcntl(fd, F_GETLK, &lock); // 查询
// 实现: fs/locks.c
// 锁挂在 inode->i_flctx (file_lock_context)
// 检测冲突: posix_locks_conflict() → 遍历 conflict chain
// 进程关闭 fd → 自动释放所有 POSIX lock (无论 fork 关系)
```
### OFD Lock (Open File Description, 3.15+)
```c
// POSIX lock 的问题: 同一个进程的不同 fd 不能各自持锁
// OFD lock 解决: 锁挂在 "打开文件描述" (file) 上, 不是进程
fcntl(fd, F_OFD_SETLK, &lock);
// fork 场景:
// POSIX: 子进程继承父进程的锁 (因为同一个 PID)
// OFD: 子进程不继承 (不同 file, 不一定)
```
### FLOCK (BSD Lock)
```c
flock(fd, LOCK_SH); // 共享
flock(fd, LOCK_EX); // 排他
flock(fd, LOCK_UN); // 解锁
// 与 POSIX lock 的区别:
// FLOCK 挂在 file 上 (不是 inode, 不是进程)
// 同一个 file 的多次 flock 自动关联
// fork 继承 flock (因为 file 共享)
// 仅 advisory (没有强制锁)
```
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## fsync / fdatasync: 持久性保证
```c
// fs/sync.c
SYSCALL_DEFINE1(fsync, unsigned int, fd)
→ do_fsync(fd, 0) → vfs_fsync(file, 0)
├─ file_write_and_wait_range() // 1. 回写 dirty page cache
│ └─ __filemap_fdatawrite_range() → do_writepages()
│ → 每个 dirty folio → a_ops->writepage()
│ └─ __filemap_fdatawait_range() // 等回写完成
│
└─ vfs_fsync_range()
└─ f_op->fsync() // 2. 文件系统: 写 journal / 强制 flush
→ ext4: jbd2 提交事务 + blkdev_issue_flush
→ XFS: 强制日志刷盘 + flush
→ NFS: COMMIT 操作
// fdatasync (FDATASYNC): 只刷数据部分 (不刷 i_atime/i_mtime)
// → vfs_fsync_range(file, start, end, 1)
// → 文件系统可以跳过时间戳同步
```
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## 零拷贝: sendfile / splice / vmsplice
```c
// sendfile(): 文件 → socket, 不经过用户空间
sendfile(out_fd, in_fd, &offset, count)
→ do_sendfile()
└─ splice_file_to_pipe() → pipe buffer ← 文件内容
└─ splice_pipe_to_socket() → pipe buffer → socket
// splice(): 两个 fd 之间管道传输 (内核空间)
splice(in_fd, NULL, pipefd[1], NULL, count, 0); // fd → pipe
splice(pipefd[0], NULL, out_fd, NULL, count, 0); // pipe → fd
// vmsplice(): 用户空间内存 → pipe (与 splice 配合)
vmsplice(pipefd[1], iov, nr_segs, SPLICE_F_GIFT);
// 用户内存的页被"送给"内核 (不再是用户态的了)
// → pipe 引用这些页 → splice 到 socket → 零拷贝发网卡
```
### DMA 零拷贝路线
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## 调试
```bash
# inode cache 统计
cat /proc/sys/fs/inode-nr # nr_inodes, nr_free_inodes
cat /proc/sys/fs/inode-state # 详细 inode 使用状态
# 查看进程的文件锁
cat /proc/locks # 所有活跃的 POSIX/OFD/FLOCK
lslocks # 更好的人类可读格式
# 追踪 fsync 行为
strace -e trace=fsync,fdatasync -p
```
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## 参考与延伸
- **内核文档**: `Documentation/filesystems/locks.rst`, `Documentation/filesystems/vfs.rst`
- **LWN**:
- "Better file locking with OFD locks" (lwn.net/Articles/586904/)
- "Splice and sendfile" (lwn.net/Articles/178199/)
- **源码文件**:
- `fs/locks.c` — POSIX/OFD/FLOCK 实现
- `fs/sync.c` — fsync/fdatasync
- `fs/splice.c` — splice/sendfile/vmsplice
- `fs/inode.c` — inode 生命周期
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*关键词: VFS, inode state, POSIX lock, OFD lock, FLOCK, fsync, fdatasync, sendfile, splice, zero-copy*